JP4550778B2 - 磁気抵抗効果素子の製造方法 - Google Patents
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Description
磁化方向が実質的に一方向に固着された磁化固着層と、磁化方向が外部磁界に対応して変化する磁化自由層と、前記磁化固着層と前記磁化自由層との間に設けられ、絶縁層と前記絶縁層を貫通する金属層を含むスペーサ層とを有する磁気抵抗効果素子の製造方法において、
前記スペーサ層を形成するにあたり、
第1の金属層を成膜し、
前記第1の金属層上に第2の金属層を成膜し、
前記第2の金属層を第1の絶縁層に変換するとともに前記第1の絶縁層を貫通する第1の導電層を形成する第1の変換処理を行い、
前記第1の絶縁層及び前記第1の導電層上に第3の金属層を成膜し、
前記第3の金属層を第2の絶縁層に変換するとともに前記第1の導電層上にのみ前記第2の絶縁層を貫通する第2の導電層を形成する第2の変換処理を行うことにより、前記第1の導電層及び第2の導電層を有する前記金属層、並びに前記第1の絶縁層及び前記第2の絶縁層を有する前記絶縁層を形成することを特徴とし、
前記第1の変換処理及び前記第2の変換処理の少なくとも一方は、
アルゴン、キセノン、ヘリウム、ネオン、及びクリプトンの少なくとも一つを含むガスをイオン化又はプラズマ化して得た雰囲気中に、酸素ガス及び窒素ガスのうち少なくとも一方を含むガスを供給し、前記イオン化したガス又は前記プラズマ化したガスの雰囲気下、前記第2の金属層又は前記第3の金属層に対して酸化処理及び窒化処理の少なくとも一方を行う第1のステップと、
前記酸素ガス及び前記窒素ガスの少なくとも一方を含む前記ガスの供給を停止し、アルゴン、キセノン、ヘリウム、ネオン、クリプトン、酸素及び窒素のうち少なくともいずれかひとつの元素を含むガスをイオン化、もしくはプラズマ化して膜表面に照射する第2のステップと、
を有することを特徴とする、磁気抵抗効果素子の製造方法に関する。
また、本発明の別の一態様は、
磁化方向が実質的に一方向に固着された磁化固着層と、磁化方向が外部磁界に対応して変化する磁化自由層と、前記磁化固着層と前記磁化自由層との間に設けられ、絶縁層と前記絶縁層を貫通する金属層を含むスペーサ層とを有する磁気抵抗効果素子の製造方法において、
前記スペーサ層を形成するにあたり、
第1の金属層を成膜し、
前記第1の金属層上に第2の金属層を成膜し、
前記第2の金属層を第1の絶縁層に変換するとともに前記第1の絶縁層を貫通する第1の導電層を形成する第1の変換処理を行い、
前記第1の絶縁層及び前記第1の導電層上に第3の金属層を成膜し、
前記第3の金属層を第2の絶縁層に変換するとともに前記第1の導電層上にのみ前記第2の絶縁層を貫通する第2の導電層を形成する第2の変換処理を行うことにより、前記第1の導電層及び第2の導電層を有する前記金属層、並びに前記第1の絶縁層及び前記第2の絶縁層を有する前記絶縁層を形成することを特徴とし、
前記第1の変換処理及び前記第2の変換処理の少なくとも一方は、
アルゴン、キセノン、ヘリウム、ネオン、及びクリプトンのうち少なくともいずれかひとつの元素を含むガスをイオン化、もしくはプラズマ化して膜表面に照射する第1のステップと、
アルゴン、キセノン、ヘリウム、ネオン、及びクリプトンの少なくとも一つを含むガスをイオン化又はプラズマ化して得た雰囲気中に、酸素ガス及び窒素ガスのうち少なくとも一方を含むガスを供給し、前記イオン化したガス又は前記プラズマ化したガスの雰囲気下、前記第2の金属層又は前記第3の金属層に対して酸化処理及び窒化処理の少なくとも一方を行う第2のステップと、
前記酸素ガス及び前記窒素ガスの少なくとも一方を含む前記ガスの供給を停止し、アルゴン、キセノン、ヘリウム、ネオン、及びクリプトンのうち少なくともいずれかひとつの元素を含むガスをイオン化、もしくはプラズマ化して膜表面に照射する第3のステップと、
を有することを特徴とする磁気抵抗効果素子の製造方法に関する。
前記スペーサ層を形成する金属層が、基板側下部の酸素濃度と、基板反対側上部の酸素濃度の違いが10atomic%以内であることを特徴とする、磁気抵抗効果素子を得ることができる。
前記スペーサ層を形成する金属層が基板側下部の開口面積と、基板反対側上部の開口面積の違いが、20%以内であることを特徴とする、磁気抵抗効果素子を得ることができる。
図1は、本発明の磁気抵抗効果素子(CCP−CPP素子)の一例を表す斜視図である。なお、本明細書において、総ての図面は模式的に描かれており、各構成要素の大きさ(膜厚など)及び構成要素同士の比率などは実際のものと異なるようにして描いている。
下電極11は、スピンバルブ膜の垂直方向に通電するための電極である。下電極11と上電極20との間に電圧が印加されることで、スピンバルブ膜内部をその膜垂直方向に沿って電流が流れる。この電流によって、磁気抵抗効果に起因する抵抗の変化を検出することで、磁気の検知が可能となる。下電極11には、電流を磁気抵抗効果素子に通電するために、電気抵抗が比較的小さい金属層が用いられる。NiFe、Cuなどが用いられる。
CCP−CPP素子においては、スペーサ層16の近傍で電流が狭窄されるため、スペーサ層16の界面近傍での抵抗の寄与が非常に大きい。つまり、スペーサ層16と磁性層(ピン層14、フリー層18)の界面での抵抗が、磁気抵抗効果素子全体の抵抗に占める割合が大きい。このことは、スピン依存界面散乱効果の寄与がCCP−CPP素子では非常に大きく、重要であることを示している。つまり、スペーサ層16の界面に位置する磁性材料の選択が従来のCPP素子の場合と比較して、重要な意味をもつ。これが、ピン層143として、スピン依存界面散乱効果が大きいbcc構造をもつFeCo合金層を用いた理由であり、前述したとおりである。
以下、本実施の形態における磁気抵抗効果素子の製造方法を説明する。
図2は、本発明の実施形態に係る磁気抵抗効果素子の、スペーサ層15、16、17を形成するための製造工程を表すフロー図である。図1(A)〜(G)を参照して、本発明に係わる磁気抵抗効果素子(CCP−CPP素子)の製造方法を概略的に説明する。
図2(A)において、m1は電流パスを形成するための材料、m2は酸化、窒化、または酸窒化処理によって絶縁層に変換される金属層である。m1としては、Cu,Au,Ag,Alなどの金属層が好ましい。m2としては、酸化、窒化されたときに良好な絶縁機能を有するAl,Si,Mg,Ti,Hf,Zr,Cr,Mo,Nb,Wのうち少なくともひとつの元素を含む材料から形成されることが好ましい。これらの単体金属でも良いし、合金材料でも構わない。m1の膜厚としては、0.1〜1.5nm程度が好ましく、m2の膜厚としては、0.3〜1nm程度が好ましい。
以下、磁気抵抗効果素子の製造方法の全体について、図1を用いて詳細に説明する。
最初に、基板(図示せず)上に、下電極11、下地層12、ピニング層13、ピン層14、下部金属層15、スペーサ層16、上部金属層17、フリー層18、キャップ層19、上電極20を順に形成する。
基板(図示せず)上に、下電極11を微細加工プロセスによって前もって形成しておく。下電極11上に、下地層12として、例えば、Ta[5nm]/Ru[2nm]を成膜する。既述のように、Taは下電極の荒れを緩和したりするためのバッファ層12aである。Ruはその上に成膜されるスピンバルブ膜の結晶配向および結晶粒径を制御するシード層12bである。
下地層12上にピニング層13を成膜する。ピニング層13の材料としては、PtMn、PdPtMn、IrMn、RuRhMnなどの反強磁性材料を用いることができる。
ピニング層13上にピン層14を形成する。ピン層14は、例えば、下部ピン層141(Co90Fe10)、磁気結合層142(Ru)、および上部ピン層143(Co90Fe10[4nm])からなるシンセティックピン層とすることができる。
次に、電流狭窄構造(CCP構造)を有するスペーサ層(CCP−NOL)16を形成する。ここが本発明において最も特徴的な工程であるため以下詳細に説明する。
次いで、スペーサ層16の上に、上部金属層17として、例えば、Cu[0.25nm]を成膜する。好ましい膜厚範囲は、0.2〜1.0nm程度である。0.25nm程度を用いると、フリー層18の結晶性を向上しやすいというメリットがある。ただし、この上部金属層は場合によっては必ずしも形成しなくても構わない。
フリー層18の上に、キャップ層19として例えば、Cu[1nm]/Ru[10nm]を積層する。キャップ層19の上にスピンバルブ膜へ垂直通電するための上電極20を形成する。
以下、本発明の実施例につき説明する。以下に、本発明の実施例に係る磁気抵抗効果膜10の構成を表す。
・下電極11
・下地層12:Ta[3nm]/Ru[2nm]
・ピニング層13:Ir22Mn78[7nm]
・ピン層14:Co90Fe10[3.6nm]/Ru[0.9nm]/(Fe50Co50[1nm]/Cu[0.25nm])×2/Fe50Co50[1nm]
・金属層15:Cu[0.1nm]
・スペーサ層(CCP−NOL)16:Al2O3の絶縁層161およびCuの電流パス162
・金属層17:Cu[0.25nm]
・フリー層18:Co90Fe10[1nm]/Ni83Fe17[3.5nm]
・キャップ層19:Cu[1nm]/Ru[10nm]
・上電極20。
以下本発明に特徴的なCCP−NOLの作成方法についてのみもう少し具体的に述べる。ピン層14までは成膜し終わっており、基板は酸化チャンバー60に搬送されている状態から説明する。
実施例を比較例と共に評価した。
比較例として、図5に示すような従来プロセスで行った場合について比較した。比較例においては、m1の膜厚は、実施例のm1とm3の膜厚の和である、0.6nmのCuを成膜し、比較例のm2の膜厚として、実施例のm2とm4の膜厚の和である、1.2nmのAlCuを成膜した。
実施例1ではボトム型スピンバルブ膜を有するCPP構造の磁気抵抗効果素子について説明したが、本実施例ではトップ型スピンバルブ膜を有するCPP構造の磁気抵抗効果素子について説明する。トップ型スピンバルブ膜では、ピン層14がフリー層18よりも上に配置される。即ち、SCTは、ピン層14がフリー層18よりも下に位置するボトム型のCCP−CPP素子のみならず、トップ型のCCP−CPP素子にも適用できる。この場合でも本発明に特徴的なスペーサ層16を形成するプロセスについては全く同様である。図1において、上部ピン層の変わりにフリー層がスペーサ層の下地となり、図1におけるフリー層18の換わりに、ピン層14に相当する層がスペーサ層の上層に配置されることになる。
・下電極11
・下地層12:Ta[3nm]/Ru[2nm]
・フリー層18:Ni83Fe17[3.5nm]/Co90Fe10[1nm]
・金属層15:Cu[0.5nm]
・スペーサ層(CCP−NOL)16:Al2O3の絶縁層161およびCuの電流パス162
・金属層17:Cu[0.25nm]
・ピン層14:(Fe50Co50[1nm]/Cu[0.25nm])×2/Fe50Co50[1nm]/Ru[0.9nm]/Co90Fe10[3.6nm]
・ピニング層13:Ir22Mn78[7nm]
・キャップ層19:Cu[1nm]/Ru[10nm]
・上電極20。
以下、本発明の実施形態に係る磁気抵抗効果素子(CCP−CPP素子)の応用について説明する。
図6および図7は、本発明の実施形態に係る磁気抵抗効果素子を磁気ヘッドに組み込んだ状態を示している。図6は、磁気記録媒体(図示せず)に対向する媒体対向面に対してほぼ平行な方向に磁気抵抗効果素子を切断した断面図である。図7は、この磁気抵抗効果素子を媒体対向面ABSに対して垂直な方向に切断した断面図である。
図6および図7に示した磁気ヘッドは、記録再生一体型の磁気ヘッドアセンブリに組み込んで、磁気記録再生装置に搭載することができる。
次に、本発明の実施形態に係る磁気抵抗効果素子を搭載した磁気メモリについて説明する。すなわち、本発明の実施形態に係る磁気抵抗効果素子を用いて、例えばメモリセルがマトリクス状に配置されたランダムアクセス磁気メモリ(MRAM: magnetic random access memory)などの磁気メモリを実現できる。
本発明の実施形態は上記の実施形態に限られず拡張、変更可能であり、拡張、変更した実施形態も本発明の技術的範囲に含まれる。磁気抵抗効果膜の具体的な構造や、その他、電極、バイアス印加膜、絶縁膜などの形状や材質に関しては、当業者が公知の範囲から適宜選択することにより本発明を同様に実施し、同様の効果を得ることができる。例えば、磁気抵抗効果素子を再生用磁気ヘッドに適用する際に、素子の上下に磁気シールドを付与することにより、磁気ヘッドの検出分解能を規定することができる。
Claims (13)
- 磁化方向が実質的に一方向に固着された磁化固着層と、磁化方向が外部磁界に対応して
変化する磁化自由層と、前記磁化固着層と前記磁化自由層との間に設けられ、絶縁層と前
記絶縁層を貫通する金属層を含むスペーサ層とを有する磁気抵抗効果素子の製造方法にお
いて、
前記スペーサ層を形成するにあたり、
第1の金属層を成膜し、
前記第1の金属層上に第2の金属層を成膜し、
前記第2の金属層を第1の絶縁層に変換するとともに前記第1の絶縁層を貫通する第1
の導電層を形成する第1の変換処理を行い、
前記第1の絶縁層及び前記第1の導電層上に第3の金属層を成膜し、
前記第3の金属層を第2の絶縁層に変換するとともに前記第1の導電層上にのみ前記第
2の絶縁層を貫通する第2の導電層を形成する第2の変換処理を行うことにより、前記第
1の導電層及び第2の導電層を有する前記金属層、並びに前記第1の絶縁層及び前記第2
の絶縁層を有する前記絶縁層を形成することを特徴とし、
前記第1の変換処理及び前記第2の変換処理の少なくとも一方は、
アルゴン、キセノン、ヘリウム、ネオン、及びクリプトンの少なくとも一つを含むガス
をイオン化又はプラズマ化して得た雰囲気中に、酸素ガス及び窒素ガスのうち少なくとも
一方を含むガスを供給し、前記イオン化したガス又は前記プラズマ化したガスの雰囲気下
、前記第2の金属層又は前記第3の金属層に対して酸化処理及び窒化処理の少なくとも一
方を行う第1のステップと、
前記酸素ガス及び前記窒素ガスの少なくとも一方を含む前記ガスの供給を停止し、アル
ゴン、キセノン、ヘリウム、ネオン、クリプトン、酸素及び窒素のうち少なくともいずれ
かひとつの元素を含むガスをイオン化、もしくはプラズマ化して膜表面に照射する第2の
ステップと、
を有することを特徴とする磁気抵抗効果素子の製造方法。 - 磁化方向が実質的に一方向に固着された磁化固着層と、磁化方向が外部磁界に対応して
変化する磁化自由層と、前記磁化固着層と前記磁化自由層との間に設けられ、絶縁層と前
記絶縁層を貫通する金属層を含むスペーサ層とを有する磁気抵抗効果素子の製造方法にお
いて、
前記スペーサ層を形成するにあたり、
第1の金属層を成膜し、
前記第1の金属層上に第2の金属層を成膜し、
前記第2の金属層を第1の絶縁層に変換するとともに前記第1の絶縁層を貫通する第1
の導電層を形成する第1の変換処理を行い、
前記第1の絶縁層及び前記第1の導電層上に第3の金属層を成膜し、
前記第3の金属層を第2の絶縁層に変換するとともに前記第1の導電層上にのみ前記第
2の絶縁層を貫通する第2の導電層を形成する第2の変換処理を行うことにより、前記第
1の導電層及び第2の導電層を有する前記金属層、並びに前記第1の絶縁層及び前記第2
の絶縁層を有する前記絶縁層を形成することを特徴とし、
前記第1の変換処理及び前記第2の変換処理の少なくとも一方は、
アルゴン、キセノン、ヘリウム、ネオン、及びクリプトンのうち少なくともいずれかひ
とつの元素を含むガスをイオン化、もしくはプラズマ化して膜表面に照射する第1のステ
ップと、
アルゴン、キセノン、ヘリウム、ネオン、及びクリプトンの少なくとも一つを含むガス
をイオン化又はプラズマ化して得た雰囲気中に、酸素ガス及び窒素ガスのうち少なくとも
一方を含むガスを供給し、前記イオン化したガス又は前記プラズマ化したガスの雰囲気下
、前記第2の金属層又は前記第3の金属層に対して酸化処理及び窒化処理の少なくとも一
方を行う第2のステップと、
前記酸素ガス及び前記窒素ガスの少なくとも一方を含む前記ガスの供給を停止し、アル
ゴン、キセノン、ヘリウム、ネオン、及びクリプトンのうち少なくともいずれかひとつの
元素を含むガスをイオン化、もしくはプラズマ化して膜表面に照射する第3のステップと
、
を有することを特徴とする磁気抵抗効果素子の製造方法。 - 前記第1の変換処理の後、前記第3の金属層の成膜前に第4の金属層を成膜することを
特徴とする、請求項1又は2のいずれか一に記載の磁気抵抗効果素子の製造方法。 - 前記第1の金属層として、Cu,Au,Ag,Alのうち少なくともいずれかひとつの
元素を含む材料を成膜し、前記第2、第3の金属層として、Al,Si,Mg,Ti,H
f,Zr,Cr,Mo,Nb,Wのうち少なくともいずれかひとつの元素を含む材料を成
膜することを特徴とする、請求項1〜3のいずれか一に記載の磁気抵抗効果素子の製造方
法。 - 前記第4の金属層として、Cu,Au,Ag,Alのうち少なくともいずれかひとつの
元素を含む材料を成膜することを特徴とする、請求項3記載の磁気抵抗効果素子の製造方
法。 - 前記第1の金属層として、Cu,Au,Ag,Alのうち少なくともいずれかひとつの
元素を含む材料を成膜し、前記第2、第3の金属層として、Al,Si,Mg,Ti,H
f,Zr,Cr,Mo,Nb,Wのうち少なくともいずれかひとつの元素を含む材料を成
膜し、前記第4の金属層として、Cu,Au,Ag,Alのうち少なくともいずれかひと
つの元素を含む材料を成膜することを特徴とする、請求項3記載の磁気抵抗効果素子の製
造方法。 - 前記第1の金属層の膜厚が、0.1〜1.5nm、前記第2、第3の金属層の膜厚が0.
3〜1nmであることを特徴とする、請求項4記載の磁気抵抗効果素子の製造方法。 - 前記第4の金属層の膜厚が、0.1〜1.5nmであることを特徴とする、請求項5又は
6のいずれか一に記載の磁気抵抗効果素子の製造方法。 - 前記第1の金属層の膜厚が、0.1〜1.5nm、前記第2、第3の金属層の膜厚が0.
3〜1nm、前記第4の金属層の膜厚が、0.1〜1.5nmであることを特徴とする、請求
項6記載の磁気抵抗効果素子の製造方法。 - 前記第2の変換処理の後に、Cu,Au,Ag,Alのうち少なくともいずれかひとつ
の元素を含む金属層を形成することを特徴とする、請求項1〜9のいずれか一に記載の磁
気抵抗効果素子の製造方法。 - 前記磁化固着層及び前記磁化自由層の少なくとも一方は、CoおよびFeを含む合金で
形成されていることを特徴とする、請求項1〜10のいずれか一に記載の磁気抵抗効果素
子の製造方法。 - 前記磁化固着層は、体心立方構造を有することを特徴とする、請求項1〜11のいずれ
か一に記載の磁気抵抗効果素子の製造方法。 - 前記磁化自由層は、NiおよびFeを含む合金で形成された層を有することを特徴とす
る、請求項1〜12のいずれか一に記載の磁気抵抗効果素子の製造方法。
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